Développement d'un modèle généralisé d'efforts de coupe pour l'usinage de l'alliage de titane Ti6Al4V. Application aux techniques de tournage et fraisage PDF Download
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Book Description
Dans l'optique de maîtriser l'industrialisation des pièces complexes, les efforts de coupe sont une source riche d'informations. Bien que la prédiction des efforts de coupe soit un sujet largement traité par la communauté scientifique, quelques verrous subsistent. Les travaux de cette étude visent à enrichir les modèles existants sous deux principaux aspects : une étude approfondie de l'influence des conditions de contact en dépouille associées à la géométrie de pièce et l'effet de l'usure de l'outil sur l'évolution des efforts de coupe au cours du temps. Pour ce faire, plusieurs expérimentations instrumentées sont réalisées afin de déterminer les paramètres influents à introduire dans les modélisations. S'appuyant sur ces observations, des modélisations, selon une approche phénoménologique, sont développées pour estimer respectivement le niveau d'usure de l'outil, les efforts de coupe et leur évolution fonction au cours du temps. Ces développements sont conduits pour les techniques de fraisage, de tournage intérieur et de tournage extérieur appliquées à l'usinage de l'alliage de titane aéronautique Ti6Al4V. Les méthodologies présentées dans cette étude sont transposables vers d'autres nuances d'alliages de titane afin de couvrir un domaine d'application large en industrie.
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Dans l'optique de maîtriser l'industrialisation des pièces complexes, les efforts de coupe sont une source riche d'informations. Bien que la prédiction des efforts de coupe soit un sujet largement traité par la communauté scientifique, quelques verrous subsistent. Les travaux de cette étude visent à enrichir les modèles existants sous deux principaux aspects : une étude approfondie de l'influence des conditions de contact en dépouille associées à la géométrie de pièce et l'effet de l'usure de l'outil sur l'évolution des efforts de coupe au cours du temps. Pour ce faire, plusieurs expérimentations instrumentées sont réalisées afin de déterminer les paramètres influents à introduire dans les modélisations. S'appuyant sur ces observations, des modélisations, selon une approche phénoménologique, sont développées pour estimer respectivement le niveau d'usure de l'outil, les efforts de coupe et leur évolution fonction au cours du temps. Ces développements sont conduits pour les techniques de fraisage, de tournage intérieur et de tournage extérieur appliquées à l'usinage de l'alliage de titane aéronautique Ti6Al4V. Les méthodologies présentées dans cette étude sont transposables vers d'autres nuances d'alliages de titane afin de couvrir un domaine d'application large en industrie.
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Le présent travail concerne l'étude de l'usinage de l'alliage de titane Ti-6Al-4V, matériau très apprécié par les industries aéronautique, biomédicale et de l'énergie. Les qualités des alliages de titane sont nombreuses : haute résistance aux températures élevées et à la corrosion, haute résistance mécanique, biocompatibilité, etc. Cependant, certaines propriétés physiques de ces matériaux, comme leur faible conductivité thermique, conduisent à des difficultés lors de leur mise en forme par usinage. Des études ont été et sont toujours conduites afin de comprendre le comportement de ces matériaux lors de leur mise en forme. Peu de travaux portent sur la prise en compte de la microstructure dans le comportement des alliages de titane lors du procédé d'usinage. Cette dimension constitue l'une des originalités de ce travail de thèse. Les phénomènes microstructuraux sont caractérisés à travers une étude expérimentale en coupe orthogonale de l'alliage Ti-6Al-4V. Les efforts, la température, la morphologie des copeaux et la microstructure sont analysés et interprétés. Une étude numérique du processus de coupe par simulation éléments finis est employée pour comprendre le rôle de l'endommagement et de la recristallisation. A partir des conclusions de ces différentes études, la construction d'un nouveau modèle de comportement est proposée. Ce modèle est appliqué à une modélisation élément fini pour différentes conditions de coupe afin d'étudier l'influence des paramètres d'usinage. Le modèle est validé par comparaison aux résultats expérimentaux. Il est ensuite exploité afin de proposer une analyse du processus de la coupe et notamment de la formation du copeau.
Author: Bernard Lesourd Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 152
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L'usinage assisté par laser (ual) est un procédé qui permet d'ameliorer l'usinage de matériaux difficiles à usiner, comme l'alliage de titane ta6v. La conception et l'installation du poste d'essais sont decrites. Des abaques thermiques ont été mises au point pour l'UAL. Les essais réalisés sur le TA6V montrent une forte diminution des efforts de coupe et des vibrations en UAL, ainsi qu'une modification de la morphologie des copeaux. Un critère analytique de segmentation du copeau est développé. Il permet de déterminer le type de copeau formé en usinage en fonction des caractéristiques du matériau usine et des parametres operatoires. Il montre une bonne correlation avec les resultats experimentaux. Un modele thermomecanique fortement couple aux elements finis a egalement ete developpe. Il fournit une representation satisfaisante de l'ecoulement de la matiere lors du processus d'usinage, et met en evidence la transition copeau continu copeau segmentee en fonction des paramètres de coupe. L'analyse détaillée de la segmentation du copeau permet de decrire le mécanisme périodique de localisation du cisaillement. On montre ainsi l'importance majeure de la loi de frottement a l'interface outil-copeau sur la frequence de segmentation du copeau, ainsi que celle des parametres geometriques (avance, angle de coupe) sur la stabilité du processus. Ces modèles ont nécessité la determination d'une loi de comportement du TA6V prenant en compte les phénomenes d'ecrouissage, de sensibilité à la vitesse de déformation et d'adoucissement thermique, dans des gammes adaptées à l'usinage et à l'UAL.
Author: Houssemeddine Ben Boubaker Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les alliages de titane, notamment grâce à leur faible densité et leurs bonnes propriétés mécaniques, ont vu leur utilisation s'accroître ces dernières années. Cependant, du fait que ces matériaux sont réfractaires, leur mise en forme par usinage à sec est souvent difficile. Toutefois, il est difficile de comprendre les mécanismes induisant la mauvaise usinabilité des alliages de titane en se basant seulement sur des essais expérimentaux. Le recours à la modélisation numérique est une alternative efficace qui permet d'accéder à des grandeurs physiques locales et instantanées et de faciliter la compréhension des mécanismes de formation du copeau. La plupart des simulations numériques d'usinage s'appuient sur une modélisation où le matériau est considéré comme macroscopiquement homogène. Ces simulations permettent d'avoir une estimation globale des phénomènes mécaniques, thermiques et tribologiques engendrés par la coupe. Cependant, lorsque la taille des grains devient comparable par rapport au volume coupé, l'hypothèse d'homogénéité n'est plus valable. Le principal objectif de cette étude est la mise en place d'un modèle de comportement adapté à la modélisation de l'usinage de l'alliage de titane Ti17. À cause de son importante taille des grains, la prise en compte des hétérogénéités microstructurales constitue un élément essentiel de la démarche de modélisation qui s'appuie très largement sur le cadre de la plasticité cristalline. Une loi d'homogénéisation écrite à l'échelle locale permet de considérer la nature hétérogène du Ti17. Ainsi, une procédure d'identification des paramètres basée sur les courbes de comportement en traction, en compression et cisaillement est proposée. Si l'objectif de ce travail est la construction d'un modèle de comportement à l'échelle cristalline, il est néanmoins nécessaire de caractériser le comportement de l'alliage de titane Ti17. Il s'agit d'abord de caractériser le comportement viscoplastique de l'alliage Ti17 puis d'étudier les phénomènes d'endommagement. Finalement, le modèle est principalement utilisé afin de prévoir le rôle des paramètres de coupe et de la microstructure sur les mécanismes de formation du copeau.
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Cette étude s'est focalisée sur l'influence d'une opération de fraisage sur l'intégrité de surface et la durée de vie en fatigue des pièces usinées en titane (Ti-6Al-4V). L'influence des paramètres géométriques tels que les angles de coupe et les rayons de bec sur la performance de l'outil à savoir la durée de vie de l'outil est analysée. Une deuxième partie est consacrée à l'influence des paramètres géométriques sur l'intégrité de surface définie par des facteurs tels que la topographie, les contraintes résiduelles, la dureté et la microstructure. Afin de déterminer la nature des contraintes résiduelles, une approche thermomécanique a été utilisée. Une relation entre les contraintes résiduelles et la dureté sous la surface usinée est établie. Une dernière partie est dédiée à la l'étude de la fatigue des pièces en titane usinées selon les différents paramètres géométriques. Une comparaison des limites d'endurance expérimentales et analytiques issue de la littérature a permis de déterminer les paramètres influents de l'intégrité de surface sur la performance en fatigue. Une analyse fractographique a révélé les phénomènes liés à l'usinage influençant la rupture du matériau.
Author: Wenyu Cheng Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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The aim of this thesis is to propose a constitutive model of Ti-6Al-4V titanium alloy and apply it to the metal cutting simulation. This constitutive model includes the most relevant parameters affecting the mechanical behavior (plasticity and damage) of Ti-6Al-4V titanium alloy in metal cutting (i.e. the state of stress and the strain-rate). Special specimens were designed to generate a wide range of states of stress (i.e. triaxiality and Lode angle) in mechanical testing, which are representative of the metal cutting process. An optimization-based procedure was developed to determine the coefficients of the constitutive model with high accuracy. The accuracy of the proposed constitutive model to describe the mechanical behavior of Ti-6Al-4V alloy under different states of stress was confirmed by comparing the experimental and simulated results of the mechanical tests. Finally, orthogonal cutting and turning models of Ti-6Al-4V including the proposed constitutive model were developed and applied to predict the forces, temperatures, chip geometry and the surface integrity in the machined surface and subsurface. The accuracy of these machining models was evaluated by comparing the simulated and experimental results.
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Ce travail s'inscrit dans une stratégie d'investigation expérimentale et numérique des mécanismes d'enlèvement de la matière lors de l'usinage de l'alliage de titane Ti-6Al-4V. Il aborde un problème complexe, fortement couplé, faisant intervenir la thermique et la mécanique aux petites échelles (micrométrique). Le manque de moyens de mesure dédié à ces échelles de temps et de l'espace (phénomènes rapides et très locaux) ne permet pas, à ce jour, d'appréhender précisément les phénomènes thermomécaniques mis en jeu pendant la formation de copeau. De ce fait, un dispositif spécifique, appelé VISIR, répondant à cette problématique a été mis en place. La partie expérimentale s'est donc orientée vers une compréhension plus fine des mécanismes d'enlèvement de la matière. Elle a notamment permis de mettre en évidence l'évolution de grandeurs mécaniques et thermiques durant la formation des festons mais surtout le couplage entre la température et la vitesse de déformation. Basée sur les constatations expérimentales, une étude du comportement thermomécanique de cet alliage a été mis en place. Des essais en cisaillement dynamique à travers des éprouvettes chapeau ont permis d'identifier par méthode inverse une nouvelle loi de comportement couplée en température et en vitesse de déformation. De plus, une étude de l'endommagement s'est appuyée sur l'identification et l'évaluation de huit critères communément utilisés dans le domaine de mise en forme a permis de proposer une nouvelle loi, inspirée du critère de Tresca, couplée au comportement. L'intégralité de ces formulations couplée à un modèle de frottement Stick-Slip ont enfin été implémentés dans un modèle EF 3D. La confrontation expérimentale/numérique en termes de grandeurs mécaniques et thermiques a révélé la robustesse et l'aspect prédictif du modèle EF développé. Enfin, les résultats de cette étude ont permis de développer une discussion détaillée sur les mécanismes d'enlèvement de la matière et plus particulièrement les complexes trajet des fissurations.
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La modélisation des efforts de coupe en usinage est nécessaire pour prédire certaines caractéristiques de la pièce usinée comme sa géométrie, son état de surface ou encore l'intégrité de la matière en sub-surface.Les nombreux modèles d'efforts de coupe déjà développés sont souvent appliqués dans le cas d'opérations d'usinage simples, ce qui limite leur diffusion vers le milieu industriel, alors qu'il existe un réel besoin de modélisation d'opérations d'usinage complexes et variées, et prenant en compte d'éventuels changements métallurgiques au niveau du matériau usiné.L'objectif de ces travaux est de proposer un modèle d'efforts de coupe appliqué à toute opération de tournage d'une part et considérant certaines propriétés mécaniques du matériau usiné d'autre part.Concernant l'aspect multi-opérations, un modèle géométrique utilisant des transformations homogènes a été développé et permet de décrire à la fois la trajectoire et la géométrie de l'outil. Les effets de paramètres originaux, tels que le diamètre de la pièce, l'angle de direction d'arête et le rayon de bec, sont étudiés, notamment à l'aide de nouvelles configurations de coupe élémentaires. La prise en compte de ces paramètres dans les relations de coupe locales permet finalement d'améliorer la simulation des efforts de coupe lors d'un contournage.L'approche utilisée pour l'aspect multi-matériaux consiste à modifier progressivement le matériau usiné. Ainsi, le matériau initial, le cuivre pur, a été étudié dans différents états métallurgiques, obtenus par des traitements thermo-mécaniques. En particulier, le procédé d'extrusion coudée à aires égales (ECAE) a été utilisé afin d'écrouir le matériau dans la masse. Ainsi, trois matériaux aux caractéristiques mécaniques différentes mais conservant plusieurs caractéristiques communes (thermiques notamment) ont pu être comparés en termes d'efforts de coupe. Les coefficients des relations de coupe sont finalement mis en regard des propriétés mécaniques obtenues par des essais de traction et de compression à grande vitesse.
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L'objet des travaux de recherche porte sur l'étude et la modélisation des efforts de coupe en fraisage de matériaux durs. La connaissance des efforts de coupe, ainsi que leurs évolutions au cours du temps, sont des signatures utiles à l'optimisation et au suivi du procédé d'usinage. La prédiction de l'évolution temporelle des efforts de coupe peut permettre d'optimiser la géométrie des outils lors de leur conception, ou de mieux adapter les conditions de coupe et la machine utilisée à l'opération d'usinage envisagée ; ceci dans le but de minimiser le niveau d'effort ou de le stabiliser, et ainsi d'éviter les pics d'efforts importants néfastes à la tenue de l'outil et aux capacités de la machine. La connaissance des efforts de coupe favoriserait également l'optimisation des trajectoires d'outils au sein d'un logiciel de FAO par exemple.Cette étude vise donc à améliorer la procédure de qualification d'un outil pour l'usinage d'un matériau donné, en considérant comme point de départ la géométrie locale de l'arête coupante, et en "remontant" ensuite à la géométrie globale de l'outil ou de la famille d'outils considérée. Cette méthode présente l'avantage de pouvoir être adaptée à toutes les formes globales d'outils, notamment dans le cas de fraises à géométrie complexe. Seule la définition de l'arête coupante doit être conservée pour appliquer la procédure à plusieurs outils de la même famille. Enfin, cette étude est rendue possible en Usinage Grande Vitesse par la mise au point d'un capteur dynamométrique à compensation inertielle permettant l'obtention de signaux de bonne qualité à haute fréquence.
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La maîtrise d'un procédé d'usinage de pièces complexes nécessite de contrôler les efforts de coupe tout au long de l'opération. C'est pourquoi la modélisation de ces efforts de coupe est un sujet largement traité depuis trente ans par la communauté scientifique. Cependant les développements de nouvelles techniques de fabrication, de nouveaux outils et de nouvelles stratégies d'usinage, demandent d'optimiser les modélisations précédentes pour les rendre compatible avec ces développements. Les travaux de cette étude s'intéressent à analyser un alliage d'Inconel 718 issu de fabrication additive pour évaluer son usinabilité. Cette analyse permet par la suite de définir une stratégie d'usinage optimisant les performances de l'opération par la réduction de l'usure des outils et des temps d'usinage. Pour finir, un modèle généralisé de la trajectoire et des efforts de coupe en fonction de l'usure est proposé. Le modèle se fonde sur une modélisation géométrique rigoureuse de l'outil, prenant en compte son évolution en fonction de l'usure, et la définition d'une loi de coupe adaptée au couple Arête/Matière étudié. Les méthodologies ainsi développées sont transposables pour d'autres alliages et d'autres stratégies afin de couvrir un grand nombre d'opérations et de géométries de pièces.
Author: Théo Dorlin
Author: Théo Dorlin
Author: Dominique Ibrahima Yameogo
Author: Bernard Lesourd
Author: Houssemeddine Ben Boubaker
Author: Adrien Cellier
Author: Wenyu Cheng
Author: Mahmoud Harzallah
Author: Sébastien Campocasso
Author: Stéphanie Bissey
Author: Edouard Ducroux